在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)輪作體系中，豆科作物由于更有利于改善土壤肥力、維持土壤健康而被廣泛推薦使用。然而，由于豆科作物殘?bào)w具有較低的碳氮比（C/N），容易被微生物分解利用，可促進(jìn)土壤有機(jī)碳的礦化及激發(fā)效應(yīng)（PE）。目前已有大量研究探究了不同輪作系統(tǒng)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響，但是在輪作系統(tǒng)中豆科作物的種植頻率對(duì)土壤有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)的影響尚不清晰，亟需進(jìn)一步明確豆科作物對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響。

東北地理所土壤物質(zhì)循環(huán)學(xué)科組研究人員基于中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站作物長(zhǎng)期輪作試驗(yàn)平臺(tái)，選取小麥和玉米為主的輪作系統(tǒng)，采集具有不同大豆種植頻率的土壤樣品，利用穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)結(jié)合室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，探究了豆科作物參與的不同輪作系統(tǒng)中土壤微生物量和群落結(jié)構(gòu)等對(duì)農(nóng)田黑土有機(jī)碳礦化及激發(fā)的影響。

研究表明，在連作系統(tǒng)中，小麥連作土壤具有最高的土壤有機(jī)碳礦化速率，其次是大豆連作，玉米連作的土壤有機(jī)碳礦化速率最低。與未添加葡萄糖的處理相比，葡萄糖添加分別使小麥和玉米輪作系統(tǒng)中土壤累積碳礦化增加了195%–230%和255%–300%（圖1a）。大豆參與的小麥和玉米輪作系統(tǒng)中，葡萄糖添加引起的激發(fā)效應(yīng)分別比小麥和玉米連作增加了27%–38%和22%–26%，但大豆種植頻率對(duì)小麥和玉米輪作系統(tǒng)中PE的影響不顯著（圖1）。在小麥和玉米輪作系統(tǒng)中，大豆的參與增加了土壤C/N比及真菌生物量，降低了土壤細(xì)菌/真菌的比值，促進(jìn)了土壤激發(fā)效應(yīng)的強(qiáng)度（圖2），但大豆種植頻率對(duì)土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)的影響不顯著。研究結(jié)果為通過(guò)調(diào)整豆科作物參與的輪作體系促進(jìn)土壤碳固定提供了科學(xué)依據(jù)。

圖1 不同小麥和玉米輪作系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳礦化、激發(fā)效應(yīng)（PE）和葡萄糖分解

圖2 土壤碳激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度（PI）與土壤C、N以及微生物性質(zhì)之間的關(guān)系

相關(guān)研究成果近期發(fā)表在農(nóng)林科學(xué)國(guó)際期刊《Plant and Soil》上。土壤物質(zhì)循環(huán)學(xué)科組博士研究生戴閃閃為第一作者，李祿軍研究員為通訊作者。研究工作得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目等聯(lián)合資助。

論文信息：Shanshan Dai, Peng He, Meng-Yang You, Lu-Jun Li*. The presence of soybean, but not soybean cropping frequency has influence on SOM priming in crop rotation systems. Plant and Soil, 2023, doi: 10.1007/s11104-023-05947-2.

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11104-023-05947-2